Submerged breakwaters as a measure to reduce wave overtopping at vertical seawalls

Abstract

Kıyı kentlerindeki hızlı kentleşme ve artan nüfus, kentsel alanlar üzerindeki baskıyı artırmakta. Bu durum küresel ısınmanın tetiklediği iklim değişikliğiyle daha da şiddetlenmektedir. İklim değişikliğinin en belirgin etkilerinden biri olan deniz seviyesinin yükselmesi, özellikle fırtına koşullarıyla birleştiğinde kıyı koruma yapılarının etkinliğini azaltarak kentsel bölgelerin taşkın riskini artırmaktadır. Bu bağlamda, dalga aşmasını azaltmak için batık bir dalgakıran çözüm olarak kullanılabilir. Bu çalışma, İYTE Hidrolik Laboratuvarında, 122M553 kodlu TÜBİTAK projesi kapsamında gerçekleştirilen 2 boyutlu, küçük ölçekli deneysel bir araştırma olup, dikey deniz duvarlarında dalga aşmasını azaltmada batık dalgakıranların etkinliğini incelemektedir. Batık dalgakıranların, dalga aşma debisini %90'a kadar azaltarak etkin bir tamamlayıcı kıyı savunma sistemi olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Batık dalgakıranın etkinliği, dalgaların aşması üzerindeki etkisini ölçen bir indirgeme katsayısı (𝛾sub) ile ifade edilir. Bu indirgeme katsayısı, dalgakıran yüksekliği ve kret genişliği gibi batık dalgakıranın geometrik parametreleri ile dalga yüksekliği, dalga boyu ve su derinliği gibi hidrodinamik koşullardan da etkilenir. Bu parametrelerin etkisi dalga aşmasındaki azalmanın belirlenmesinde önemli bir rol oynar. 128 farklı deney testi kullanılarak, dalga aşmasındaki azalma niceliksel olarak belirlenmiştir. Daha sonra batık dalgakıranın tasarım parametrelerinin bir fonksiyonu olarak ifade edilmiş azaltma faktörü tanımlanmıştır. Bu indirgeme katsayısı, yaygın olarak kabul gören EurOtop (2018) dalga aşması tahmin formülüne entegre edilerek, batık dalgakıranın dikey deniz duvarı önüne yerleştirilmesi durumunda, dalga aşma deşarjının tahmin edilmesini sağlar. Ayrıca bu deneysel çalışmada, literatürde önerilen dalga iletim formüllerinin etkinliği, bu çalışmada üretilen veri seti ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir.

Rapid urbanization and population growth in coastal cities are increasing pressure on urban areas. This pressure is fed by climate change caused by global warming. Sea level rise, one of the most significant impacts of climate change, increases flood risk of urban areas by reducing the effectiveness of coastal protection structures, especially during storms. Therefore, submerged breakwater can be used as a solution to reduce wave-overtopping. This study is 2D, small-scale experimental research carried out in IZTECH Hydraulics Laboratory within the scope of TUBITAK project 122M553 and investigates the performance of submerged breakwaters in reducing wave overtopping on vertical seawalls. It is shown that submerged breakwaters can be used as an effective coastal defense system by reducing the overtopping discharge by up to 90%. The effectiveness of the submerged breakwater is expressed through a reduction factor (𝛾sub), which quantifies its impact on wave overtopping. Reduction factor is influenced by geometric parameters of the submerged breakwater, such as breakwater height and crest width, as well as hydrodynamic conditions including wave height, wavelength, and water depth. Based on 128 different experimental tests, relationship between these parameters and wave overtopping reduction is quantified, and the reduction factor is formulated as a function of submerged breakwater's design parameters. Reduction factor is then integrated into widely accepted EurOtop (2018) wave overtopping prediction formula to provide an estimate of wave overtopping discharge in the presence of a submerged breakwater. Furthermore, the effectiveness of wave-transmission formulas proposed in literature is evaluated by comparing them with the data set generated in this study.